好氧动态堆肥装置处理城市污水厂剩余污泥

来源：中国环境工程技术中心

摘要：城市污水处理厂剩余污泥的必须经过稳定化和无害化处理后方能进行最后的处置和利用。本研究在生产性规模的装置上，利用自行研制的好氧动态堆肥装置进行了污泥稳定化和无害化处理的应用研究，探讨了影响好氧堆肥的主要因素温度、含水率、供氧量和通风方式之间的关系，确定了污泥动态发酵器的最佳运行参数。为城市污水污泥的处理和处置提供了一条可行的技术路线。

关键词：城市污水、稳定化、无害化、剩余污泥、动态堆肥装置

EXCESS SLUDGE OF WASTEWATER TREATMENT DISPOSE WITH DYNAMIC FERMENTATION TANK WITH AIR

Tian ningning, Ke Jianming, Wang Kaijun
(Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing, 100037)

　　ABSTRACT: There is a lot of organic mass, nutrient of nitrogen and phosphorous, which is fertilizer of agricultural products, in the sludge of Municipal wastewater treatment plant. But the sludge should conduct innocent treatment before the application. This text is to design a fermentation tank with dynamic force to dispose sludge, to consider the effect of temperature, water content, air supply etc with the fermentation of sludge, and determine the optimal operation parameter.
　　KEY WORD: EXCESS SLUDGE, DYNAMIC FERMENTATION TANK, COMPOSE WITH AIR

1、引言

　　随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水处理厂的规模不断扩大，处理程度不断提高。到1998年为止，全国已建成和在建的城市污水处理厂已近 200座，污水处理能力约为1000余万m3/d。与蓬勃发展的污水处理相比，污泥处理和处置技术在我国还刚刚起步，随着新建污水处理厂的陆续投产，污泥产量将会有大幅度的增加，所以对污泥的处理和处置必须予以充分的重视。
　　城市污泥的利用和最终处置方法主要有焚烧、填埋、堆肥和投海等。焚烧法的技术和设备复杂、耗能大、费用较高，并且有大气污染问题；填埋法受到场地条件及环境的限制，在污泥运输距离的合理范围内已很难找到合适的地点；投海会污染海洋，对海洋生态系统和人类食物链已造成威胁，国际公约已明令禁止；堆肥处理不但可以达到稳定污泥的目的，同时制成肥料农业利用具有经济、简便、可资源化等优点，引起各国的重视，并进行大量的研究。
　　北京市密云污水处理厂处理能力为1.5万立方米/天，日产污泥5～6吨（含水率80％）。在我们研究的基础上，建成了国内第一条完整的生产性规模（年产复混肥5000吨）的污泥制肥生产线，生产线由污泥预处理、好氧动态堆肥装置和复混肥生产装置构成。生产线已连续运行两年，生产的有机复混肥销售情况良好。复混肥生产已有成熟的技术，我们着重研究污泥的稳定化和无害化处置工艺。

2、密云污水处理厂污泥处理和利用工艺

　　污水处理厂的初次污泥和二次污泥经浓缩后，一般采用带式压滤机脱水，泥饼含水率为75～85％。这样的污泥由于含水率高、粘性大、无结构强度。直接进行堆肥氧气难以通入，易产生厌氧状态。对于中小规模的污水处理厂，由于剩余污泥量不太大，若厂区又有足够的场地，气候适宜，则选择自然晾晒是最理想的途径。本实验在密云污水处理厂，采用了自然晾晒作为污泥堆肥的污泥含水率预调整手段。经过堆肥处理的污泥成为性状良好的腐植颗粒。然后可以按照不同农肥标准添加一定比例的氮、磷、钾等化学原料，通过粉碎、搅拌后进入造粒装置，成型后经干燥、筛分成为成品包装后入库或出售。污泥处理和处置工艺流程如图1。

　　污泥堆肥工艺分为好氧发酵与厌氧发酵两种工艺过程。厌氧发酵工艺由于产生甲烷、硫化氢、二氧化碳等代谢产物会引起恶臭。由于有机物分解缓慢，发酵周期长达4～6个月，致使占地面积过大。另外蚊蝇孳生，污水淌流，产生严重的二次污染，不适合于大规模工业化污泥处置。现代工艺大多采用好氧堆肥，它具有有机物分解率高，堆肥周期短，气味较小。但传统好氧堆肥的停留时间长一般10－15天，存在占地面积过大，人工翻堆劳动笨重的问题。工厂化机械堆肥是堆肥工艺发展的主流，开发新的高效堆肥机械也是有迫切要求的。
　　机械化好氧堆肥技术是在有控制的条件下，利用好氧微生物对污泥中易腐有机物进行生物降解，使之成为具有良好稳定性的腐植粒状物的全部工艺过程。目前国内外正在研究开发的污泥好氧发酵堆肥技术都是采用进料、搅拌、通气、出料同时进行的高效发酵工艺装置，其核心是好氧发酵槽。而发酵槽按照形状可分为几类：立式多段发酵槽；筒仓式发酵槽；卧式旋转发酵槽；卧式敞口发酵槽。几类发酵槽性能的比较见表1。

表1　　各类发酵反应器的性能比较
发酵槽形式立式多段筒仓式卧式旋转卧式敞口
进出料方式顶部进料、底部出料分批进出料连续进出料连续进出料
混合方式分层跌落混合螺旋杆搅拌转动混合机械搅拌
生产能力大中～大小中
占地面积小小～中中中
可操作性技术成熟、设备复杂不易操作设备简单、易于操作技术成熟、易于操作技术成熟、设备复杂不易操作
动力消耗强制通风能耗高强制通风、搅拌能耗最高自然通风能耗低强制通风、搅拌能耗最高
建设费设备复杂、投资高设备投资较高设备简单投资低设备投资较高

　　从上面对几类发酵装置的比较可以看出，各类发酵装置中，卧式旋转发酵装置可操作性强、容易设备化(可以同时适合大规模和小规模的生产)、建设投资低、动力消耗小符合高效、低耗的环保节能原则。本研究选择了以卧式旋转式发酵装置为基础，研制设计了污泥动态堆肥装置。

3、污泥堆肥装置设计

　　根据对已有设备类型、操作性能和基建等项费用的比较，在卧式旋转发酵罐的基础上进行了改造，设计出一套污泥堆肥装置。设计滚筒直径为1.2m，出料口和进料口直径分别为0.4m和0.6m(如图2)。滚筒总长12m，进料与出料口同时起到空气补给和气体排出口的作用。由于进料和出料口的存在，滚筒中实际物料堆放厚度就受到限制，超过一定高度的熟化污泥会自动从出料口流出。这样滚筒中物料的体积就应进行核算。

　　滚筒有效容积　　V=(πd2Lk)/4

　　式中：d为滚筒直径；
　　　　　L为滚筒长度；
　　　　　k为物料充满度；一般为0.25～0.6

　　即滚筒的有效容积为3.4～8.1m3

　　滚筒内壁焊接桨叶按旋转方向呈品字形排列，倾斜角度为2°，起到搅拌物料并限制物料流动速度的作用。整个滚筒沿轴向倾斜5°，从高端进料，在滚动中物料滑落到低端出料口流出滚筒。动力部分由交流电动机经双极摆线减速机，采用齿轮齿圈传动方式带动滚筒滚动，转速为0.03转/分，最大扭矩 4300NM。通风设备采用轴流风机从出料端口鼓入空气，用定时器设定控制风机开闭。

　　温度在发酵过程中的变化，直接的反应了发酵的进程，也是要观测的主要参数，在滚筒上布置了五个测温点(如图3所示)。在每个测温点上安装热电偶，用电子温度计测量读数。物料总停留时间为5天，则1#测温点为进料当天的温度；2#为第2天的温度；3#代表第3天后的温度；4#为第4天的温度；5#为第五天的出口温度。

4、动态污泥堆肥装置操作参数选择

　　从传统堆肥的基本原理看，影响好氧堆肥的主要因素是温度、水分、含水率和供氧量。好氧传统堆肥的核心问题是供氧受到限制。使用研制出的污泥动态堆肥装置，通过自然通风、连续强制通风、间断强制通风三种方式对含水率，通风与温度的关系等进行了实验，目的在于探索堆肥装置的最佳运行参数。
　　1) 污泥的前处理
　　由于从密云污水处理厂压滤机脱除下来的污泥含水率高达80％以上，不易直接进行堆肥试验。需采取前处理(干燥)，采用自然晾晒的方式，污泥层厚5－8cm。根据天气和季节情况晾晒3－5天，污泥凉晒前后的含水率变化见表2。

表2 不同季节污泥晾晒后含水率值
晾晒时间
(天)
含水率　　　％
春季夏季秋季
0 82.5 83.8 81.6
1 78.8 80.2 76.4
2 73.2 78.6 71.3
3 64.5 73.7 63.4
4 60.8 68.8 57.1
5 56.5 66.4 50.8

　　2) 含水率与温度
　　通过试验得出不同含水率的堆温变化。在同等的通气条件下，含水率较高则堆温较低，反之亦然。在自然通风的条件下，进料的含水率在70％和60％时，55℃以上的堆温均能保持三天，但是含水率达到70％，污泥容易在滚动中成团，甚至形成直径40～50cm的大球，影响设备正常工作。但当进料含水率在20％以下时，整个罐体温度改变不大，发酵作用不明显(见表3)。
　　堆肥过程中，微生物分解有机物和其生长繁殖过程中需要一定的水分，用于溶解有机物，以利于微生物的摄取，同时水分蒸发散热也可以起到调节堆温的作用。据国外资料报道，当含水率太低时，微生物在水中摄取营养物质的能力降低，有机物分解停止。但含水率过高使堆料互相粘结，将堵塞空气的通道，从而使堆肥呈厌氧状态。含水率过低，又会影响反应过程。这是因为微生物是借在物料之间的游离水的运动中摄取食物和营养物质的。如果微生物缺少这种靠液体运动而游动的机会，那么就会在严重缺少营养物质的状态下丧失了分解有机物的能力。

表3　不同含水率时堆温的变化
含水率
％
次数堆　温　 ℃
1 2 3 4 5
70 1 70 64 58 46 45
2 68 62 55
43 43
3 68 63 57 44 42

rowSpan=3>60 1 72 67 59 46 44
2 70 65 57 44 42
3 72 68 60 44 41
20 1 36
32 32 30 29

　　综合几方面因素，确定了控制进料水份在60％左右，即污水厂的脱水泥饼经自然晾晒3～5d就可以做为堆肥装置的进料。这样可以比较经济地解决进料含水率的调整问题，采用其它诸如掺混干燥物或烘干之类的调整含水率的方法都多少影响了机械堆肥的经济性。
　　3) 通风方式
　　机械好氧堆肥中要对物料通气，目的是供给氧气，维持好氧生物的代谢活动，脱除污泥水分，并防止堆温过高。根据理论计算，对于城市生活污水污泥来讲，每氧化1g有机物约需要2gO2，但使物料干化所需的空气量大于生化反应的需氧量。所以，针对堆肥过程既要高效分解有机物，又要尽量去除水份，就需要更高的通气量。从通气与通风效果的关系曲线（图4）可以看到：最高温度点在2m3气/m3物料.h，接近70℃。有机物分解量的最大值也在2m3气/m3物料. h，为70kg/吨物料，所以从有机物分解和得到较高的灭菌温度来讲，显然通气量在2m3气/m3物料.h较好，而从去除水份来讲，则3～5 m3气/m3物料.h更好一些。除了通气量，通风方式也直接影响着发酵反应的进程，主要有自然通风、连续强制通风和间断强制通风几类。

　　在污泥好氧发酵过程中，通风是堆肥过程的控制手段，要达到最佳条件就要控制通风。通风的目的一方面为好氧微生物分解有机物提供释放能量时所需的氧气，维持堆层好氧状态；另一方面则有蒸发水分、干燥堆肥物料、驱散热量，控制堆肥过程温度的作用。通风量过大时，水分的大量蒸发导致温度降低不利于微生物繁殖。反之通风不足，好氧微生物则因缺氧而活性减慢甚至停止反应。通过几种供氧方式进行了试验以找出适当的通风方式，结果见表4。
　　结果表明自然通风和间断强制通风两种通风方式升温效果都比较好，最高可达到72℃。而连续强制通风方式，由于空气带走大量水份的同时，也带走热量，使得升温困难，普遍温度在50℃以下，这对杀死致病菌和寄生虫卵是不利的。

表4　　通风方式与温度变化　　　　　　 ℃
通风方式自然通风连续强制通风间断强制通风
时间
测点
上午下午晚上上午下午晚上上午下午晚上
1 72 72 71 52 51 50 70 70 69
2 68 68 66 48 48 47 72 70 70
3
70 70 68 47 49
49 63 62 61
4 71 67 66 50 48 46 68 67 69
5 66 65 63 45 45 43 66 66
65

　　间断通风时，温度平均在65℃，最高达到了68℃的高温，前3天都可以保持在>50℃以上，满足了污泥无害化处置的基本条件，三种通风方式达到稳定状态时的各点温度见图5。

　　另外进、出料性状可以知道，间断通风的处理效果是可以令人满意的。首先出料的含水率已经降到了44.4％，可以满足后续工艺使用。同时也证明在翻堆时强制通风是去除水份的最恰当时机，滚筒滚动时，物料会随着筒体的缓慢滚动而一层层滑落。理想状态下，料层是薄薄一层逐渐剥落，这样可以使翻堆过程很均匀彻底，物料充分地与空气接触，同时蓄积的水蒸汽也被吹出滚筒，使物料变干。

5、二次堆肥效果

　　二次堆肥发酵是将一次发酵出料翻倒均匀，使微生物获得了一次重新接种的机会。在一次发酵中未分解完全的一些较难分解的有机物，得以继续分解。本试验是用发酵后的出料进行二次发酵。二次发酵采用室内平地堆积，堆高1m，堆长2m堆宽1.5m，表5为二次发酵过程的温度变化。

表5　　　二次堆肥发酵温度变化
天数开始 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
温度℃ 25 30
33 32 30 28 27
27 26 25 25

　　从试验看出二次发酵温度随时间缓慢下降，温度没有回升现象，并且没有蚊蝇孳生现象出现。这说明在堆肥发酵阶段有机物已得到分解，虫卵已被杀死，污泥达到腐熟和稳定。二次堆肥发酵证实了污泥动态堆肥装置中可以较短的停留时间(5天)，并且高效、较为彻底地对污泥进行稳定化和无害化处理，并为后续造肥工艺提供了有利的条件。

6、病原微生物的去除

　　好氧堆肥过程是放热过程，嗜温菌与嗜热菌由适于环境的变化到死亡，完成分解有机物的作用。同时，在堆肥升温过程中又可杀死病原微生物和寄生虫卵等使污泥无害化。试验证明堆温达到>50℃时，并保持3天绝大部分病原微生物可被杀灭。自然通风、连续通风、间断通风这几种运转方式都可以达到杀灭病原微生物的目的。生污泥的大肠菌值在10－7～10－9之间，蛔虫卵数在3.8×103～3.7×104个/kg之间变化，经过在滚筒中5日的高温发酵，出料的大肠菌值 ≤10-2，蛔虫卵为0。做为复混肥的添加辅料，污泥投加率只有5～10％。在常用的复混肥园盘造粒生产线中，物料要经过混合、粉碎、成型、烘干、筛分等多个工艺段。在烘干段成型的肥料要在100℃温度下烘烤约20分钟，能够进一步杀灭残存的病原微生物。

7、结论

　　污泥动态堆肥装置上的试验研究探讨了影响机械堆肥过程的几个重要参数的相应关系，通过试验得出如下结论：
　　(1) 污泥含水率是影响堆肥过程的重要因素，适合的含水率为50～65％，在这一范围内，污泥进入堆肥系统中，可以有较好的通透性，更好地进行好氧发酵反应，通过分解污泥来使堆温升高。含水率80％的脱水污泥在自然晾晒条件下，3～5日其含水率即可达到65％以下，可以做为堆肥原料，自然晾晒是较为经济的预调整手段。
　　(2) 堆肥的一个主要目的是实现污泥的无害化。在污泥动态堆肥装置中的堆肥过程达到55℃以上的高温，并维持超过3日的时间，可以充分地杀灭病原微生物，其中蛔虫卵的杀灭率达到100％，大肠杆菌值降低约5～7个数量级，达到无害化标准。
　　(3) 在污泥动态堆肥装置中，采用三种通风条件，分别对比实际堆肥效果发现：自然通风、连续强制通风和间断强制通风都可以达到较好的堆肥效果，实现无害化目标。其中间断性强制通风温度积蓄良好，堆温保持较高，间断性的翻堆和通风又可以有效地带走水分。因而污泥无害化和水分脱除都是最好的，能量消耗也比较低，是建议使用的堆肥通风方式。
　　(4) 通过对堆肥成品的二次堆肥试验可以看出，在污泥中已较好地完成了污泥稳定化过程。易腐有机物得到降解，病原微生物得到杀灭，堆肥成品松散、无恶臭，达到无害化要求，污泥动态堆肥装置是较为理想的机械化堆肥装置。

参考文献：

1. 严煦世主编《水和废水技术研究》，中国建筑工业出版社，1992。pp790～819
2.金儒森、刘永龄著“污泥处置”中国建筑工业出版社，北京，1982。 pp263～296
3.田宁宁等，污水处理厂污泥处置及利用途径研究《环境保护》2000.2 pp18～20

作者简介：田宁宁，（1960－）男，汉族，山西省阳城人，高级工程师，学士，1984年毕业于北京工业大学化学与环境工程学系，北京市环境保护科学研究院高级工程师，环境技术研究所付所长。研究方向为水资源保护和利用、水处理技术及固体废弃物处理技术。目前承担着国家科委、农业部、北京市科委及北京市自然科学基金资助的科研课题5项，已完成的国家及北京市科研课题共获省、部级科技进步奖6项，发表论文20余篇。

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